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大功率消防车用取力器冷却装置的分析研究

作　者: 黄锦华
导　师: 孙桓五
学　校: 太原理工大学
专　业: 车辆工程
关键词: 取力器稳态温度场管壳式换热器折流板 FLUENT
分类号: U469.68
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

在消防车大负荷进行长时间停车工作时,取力器的温度快速上升,输出轴轴承的温度容易超过了国家规定标准温度的上限值,影响了消防车的消防作业。本文即是针对取力器出现的这种问题对现有的消防车设计一种附加的取力器冷却装置,目的在于解决取力器由于温度过高而停止工作的状况。首先建立了取力器的三维几何模型,对其进行了必要的简化后建立了网格模型,计算了齿轮表面和轴承内外环的热流密度值,在取力器箱体内表面和外表面上分别计算了对应的对流换热系数,对取力器箱体进行了有限元稳态热分析,得到箱体的稳态温度场分布情况,结果表明在消防车全负荷连续4个小时工作后,取力器的温度范围在345K到382K之间,取力器箱体表面的温度变化不大,而输出轴的温度达到108.7℃,超出了国家规定的取力器的输出轴轴承温度不超过100℃的标准。在综合考虑消防车的空间参数基础上,保证换热效果好,投资成本和运行费用低,本文选用了普通的单弓形管壳式换热器作为取力器润滑油换热装置。建立换热器的三维几何模型和网格模型,运用标准K-ε模型、标准壁面函数法,利用FLUENT软件首先模拟了普通的6块折流板换热器壳侧流体的对流与换热过程。本文分别对比了四种不同的折流板间距和四种不同的折流板切除高度,四种折流板间距分别是250mm、200mm、85.6mm和68.2mm,四种折流板切除高度分别是75%D、65%D、50%D和25%D,通过比较分析它们的温度场、压力场和速度场,对比它们对壳程流动的影响,研究表明当折流板的间距减小时,壳侧流体的湍流强度增加,换热器的换热性能加强,壳侧流体的回流现象也相应的减少,但是壳侧压降逐渐增大,并且随着间距的减小呈现加大趋势；当折流板切除高度减小时,壳侧流体的湍流强度增加,换热器的换热性能加强,壳侧流体的回流现象也相应的减少,但是壳侧压降逐渐增大,并且随着切除高度的减小呈现加大趋势；对比发现当换热器折流板的间距较小时,折流板切除高度可以适当增加,折流板间距较大时可以减小折流板切除高度值,这样既可以保证换热器的换热性能,也可以适当降低壳程压降。最后对取力器冷却装置整体进行了模拟研究,结果显示装有冷却装置的取力器在工作后高速级齿轮及轴承温度下降了20K左右,温度值下降到国家相关规定范围内。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-21
  1.1 引言  11-12
  1.2 课题背景及意义  12-13
  1.3 稳态热分析在取力器温度场研究中的应用  13-15
  1.4 换热器壳侧流动的国内外研究动态  15-18
    1.4.1 实验法在换热器壳侧流动研究中的应用  16
    1.4.2 数值模拟方法在换热器壳侧流动研究中的应用  16-18
  1.5 本文的主要研究内容  18-21
第二章热分析和有限元方法理论基础  21-27
  2.1 热量传递的三种基本方式  21-22
    2.1.1. 热传导  21
    2.1.2. 热对流  21
    2.1.3. 热辐射  21-22
  2.2 稳态热传导  22-25
    2.2.1. 温度场  22
    2.2.2. 热流密度  22-23
    2.2.3. 导热微分方程  23-24
    2.2.4. 定解条件  24-25
  2.3 本章总结  25-27
第三章取力器箱体稳态温度数值模拟  27-35
  3.1 热传导的数值解法  27
  3.2 取力器箱体的发热机理分析  27-29
    3.2.1 取力器发热模型的假设  28
    3.2.2 齿轮啮合过程中的功率损失  28-29
    3.2.3 轴承摩擦发热  29
    3.2.4 润滑油吸收的热量  29
  3.3 FLUENT热分析的步骤  29-30
  3.4 取力器的几何建模和网格划分  30-31
  3.5 取力器系统热边界的确定  31-33
    3.5.1 热载荷的施加  31
    3.5.2 对流换热系数的确定  31-32
    3.5.3 其他条件  32-33
  3.6 取力器箱体稳态热分析  33-34
  3.7 本章小结  34-35
第四章管壳式换热器数值模拟的基本理论和方法  35-43
  4.1 CFD基础知识  35-37
    4.1.1 CFD的基本概述  35
    4.1.2 CFD的应用领域  35-36
    4.1.3 CFD求解步骤  36
    4.1.4 FLUENT软件介绍  36-37
  4.2 流体动力学控制方程  37-40
    4.2.1 质量守恒方程  38
    4.2.2 动量守恒方程  38-39
    4.2.3 能量守恒方程  39-40
  4.3 标准κ-ε模型  40-41
  4.4 本章小结  41-43
第五章单弓形折流板换热器壳侧流场数值模拟  43-63
  5.1 单弓形折流板换热器壳侧流场数值模拟  43-46
    5.1.1 壳程流场数值模拟的假设  43
    5.1.2 换热器的结构参数与网格划分  43-45
    5.1.3 边界条件及计算的设置  45-46
  5.2 6块折流板管壳式换热器壳程流场数值模拟  46-49
    5.2.1 温度场  46-47
    5.2.2 压力场  47-48
    5.2.3 温度场  48-49
  5.3 折流板结构参数对换热器性能影响的数值模拟  49-61
    5.3.1 折流板间距对换热器性能影响的数值模拟  49-54
    5.3.2 折流板切除高度对换热器性能影响的数值模拟  54-58
    5.3.3 折流板间距与切除高度的相互影响  58-61
  5.4 本章小结  61-63
第六章取力器冷却装置的冷却效果模拟  63-69
  6.1 冷却装置模型  63-64
  6.2 研究方法  64
  6.3 冷却装置的网格模型  64-65
  6.4 模型求解设置  65-66
    6.4.1 换热器模型求解设置  65
    6.4.2 取力器模型求解设置  65-66
  6.5 计算结果分析  66-67
    6.5.1 换热后润滑油温度场  66
    6.5.2 换热后冷却水温度场  66-67
    6.5.3 取力器冷却后温度分布情况  67
  6.6 本章小结  67-69
第七章总结与展望  69-71
参考文献  71-75
致谢  75-77
附录攻读研究生期间发表学术论文目录  77

大功率消防车用取力器冷却装置的分析研究

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